230V Powerbanka

Varování: Příspěvek není návodem ale inspirací pro možný návrh podobného zařízení kvalifikovanou osobou případně pod dozorem jako školní projekt. Obsahuje části pod napětím životu nebezpečným. Autor nenese odpovědnost za újmy na zdraví nebo majetku vzniklé v souvislosti s následujícím příspěvkem. Autor si vyhrazuje právo příspěvek kdykoli změnit.

Před rokem dokončený měnič jsem si zvykl používat tak, že baterky nabíjím skoro každý týden a jelikož je vybavený regulací výstupního napětí, používám ho jako bezdrátovou triakovku k pumpě. Vnější mechanická konstrukce do univerzální krabičky se sice vzhledově moc nepovedla, ale vnitřek myslím ano.

Jedná se o sinusový měnič 12V/230V doplněný o nabíjecí snižující měnič a balancéry pro tříčlánkovou baterii z 18650. Řízení všech měničů obstarává stará dobrá STM32F103C8T6.

Silový měnič je moje oblíbená topologie DC/DC s pevným převodem bez tlumivky na sekundární straně zde na malém výkonu buzená jen jako push-pull s MOSFETy s malým odporem v propustném směru. Střídač je H-můstek z IGBT s bipolární modulací pracující do dvojité tlumivky. IGBT tranzistory jsou buzeny drivery s desaturační ochranou IR2127, díky tomu je střídač zkratuvzdorný.

Protože DC/DC má pevný převod, běží trvale se střídou blízkou 50% vyjma běhu naprázdno. Akumulátory mají ale malý rozdíl napětí v nabitém a vybitém stavu, takže napětí stačí regulovat střídačem, hloubkou modulace.

Nabíjecí měnič jsem zvolil synchronní snižovací, aby bylo možno ho připojit např. na soláry. Synchronní typ se dá použít i pro odběr výkonu z akumulátorů, ale napětí může být jen stejné nebo vyšší. Váhal jsem nad použítím zvyšovacího měniče, ten by pak zároveň uměl dodávat 0 až 12V výstup, ale jako nabíjecí by pracoval s velkými proudy. Balancéry jsou z vyskládané z běžných součástek s referencí TL431.

Zajímavostí konstrukce je vyhnutí se použití elektrolytických kondenzátorů, pracovní kondenzátory jsou 12,5uF svitky. Pro snížení spotřeby naprázdno byl použit kompatibilní třísvorkový DC/DC místo 7805.

Zapojení obsahuje HW ochranu proti přebíjení akumulátorů. Proud akumulátorů je měřen obousměrně bočníkem na záporném konci.

Schema: (stáhnout pro plné rozlišení)

Obrázky:

 Všechno vyšlo na jednu oboustrannou desku

 Po osazení, na tomhle výkonu tranzistory netopí, výkonovým omezením jsou hlavně trafa

Bodování propojovacích pásků vystříhnutých do tvaru nožek

 Navíjení transformátoru a tlumivky

 Nakonec se tam jádro vejde, kostra je zaplněná až moc

Hotový transformátor a tlumivka na shodném jádru (z PC zdrojů)

 Zabudování do krabičky. Lepší je opačný postup - vybrat krabičku a do ní navrhnout desku.

Sériové rozhraní jsem použil jen na ladění programu, zřejmě nemuselo být vyvedeno ven, tlačítko má sloužit pro ovládání FSM, tedy výběr co má po zapnutí měnič dělat, ovšem stejně používám je jeden režim a připojení nabíječky rozpozná MCU sám, tedy tam také nemuselo být.

Řídící SW generuje PWM pro tři měniče, celkem 8 kanálů. Spínací frekvence zvolená nízko 32kHz, nabíjecí měnič 64kHz. Modulace pro střídač je vytvořena pomocí DDS s nastavitelnou amplitudou. Po zapnutí vypínače baterek jsou všechny měniče vypnuty a MCU čeká buď na připojení napětí z nabíječky, kdy zahájí nabíjení konstantním proudem do baterek, anebo na zmačknutí tlačítka, potom spustí DC/DC měnič a střídač s aplitudou nastavenou potenciometrem. Dalším zmáčknutím ho vypne.

MCU signalizuje stav nabití akumulátorů a zajišťuje vypnutí při vybití nebo nadproudu.
Nabíjení konstantním proudem, cílové napětí je drženo po stanovenou dobu a pak sníženo, aby zbytečně netopily balancéry, kdyby se nechala nabíječka v zásuvce. Jako  nabíječku používám 15V 1A adaptér, nabíjecí proud nastavený 800mA.

Výkon DC/AC měniče je 130W, trafa by se daly navinout licnou a zvednout spínací frekvenci pro dosažení větší hustoty výkonu. Kapacita akumulátorů je vzhledem k výkonu nedostatečná 30Wh, chtělo by to osadit minimálně 6 článků sérioparalelně. Nicméně měnič funguje a za ten cca rok jsem si zvykl ho používat. Plánuju osazení další desky a zabudování jiným způsobem protože i kdyby člověk desku jen zatáhnul do smršťovačky, objem by byl asi poloviční, než je teď v krabičce.

 

Literatura:

Billings K., Morey, T.: Switchmode power supply handbook. New York: McGraw-Hill 2011